高温离子注入靶盘设计

颜秀文，贾京英，刘咸成，王慧勇

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南 长沙 410111)

离子注入是半导体制造中的常用工艺，是器件有源层制备的主要手段之一[1]。在碳化硅注入掺杂、离子注入SOI材料(SIMOX)等工艺中，对离子注入有着高温注入技术的特殊要求。碳化硅掺杂，由于碳化硅材料本身的高密度和低杂质扩散系数，无法采用体硅工艺中成熟的扩散工艺，而常温离子注入又存在杂质激活率低、注入缺陷无法恢复等问题。以Al+注入掺杂为例：注入的Al+经1600℃退火后，激活率只有4%，远不能满足碳化硅器件工艺要求。切实可行的方法是在500℃～800℃下进行高温离子注入[2]。在SIMOX SOI材料制备工艺中，要求在500℃～650℃高温条件下进行大剂量注入形成一定厚度的二氧化硅层，是控制注入缺陷、保证二氧化硅埋层厚度均匀的关键因素[3]。可见，无论是碳化硅材料掺杂还是SIMOX SOI材料制备，高温离子注入靶技术已成为制约碳化硅和SIMOX SOI材料发展的最核心技术之一。国外也只有美国IBIS、日本Hitachi和日本Ulvac等少数几家公司掌握了高温靶室技术。美国IBIS公司先后推出了IBIS-i1000、IBIS-i2000 产品[4][5]，日本 HITACHI已开发出UI-5000、UI-6000型高温旋转扫描靶[6]，日本Ulvac已投产碳化硅高温离子注入设备IH-860DSIC[7]。国内只有中国电子科技集团公司第四十八研究所进行跟踪研究[8～10]。

高温离子注入机靶室研究的最终目的是实现单个晶片、每批晶片和批与批晶片之间的均匀注入，主要技术难点在于真空下500℃～600℃高温靶室的实现及晶片表面温度均匀性控制。注入环境为1×10-4Pa以上的高真空，注入温度要求500℃以上。因此设计高温靶室时，热源的选用、高温区的材料选取、热量的传递方式、热屏蔽设计、离子束溅射污染的防范、发热体的挥发污染、运动部件热变形问题都是要考虑的因素。实践证明，在离子注入机腔体的真空环境下加热衬底相当困难，许多材料和部件在高温下寿命很短，可靠性没法保障。除材料因素外，靶盘设计、加热装置设计和热场均匀性分析是急需解决的主要问题。本文以高温离子注入靶室为研究对象，通过靶盘设计、加热装置设计和热场均匀性分析等研究，提出靶室设计的措施与解决方案，为碳化硅高温离子注入靶室研制打下技术基础。

1 高温靶盘设计

靶盘由晶片爪、支撑杆、靶盘旋转电机、晶片爪驱动电机、水冷结构等组成。处在受热面、高温端的零部件全部采用高纯Si(硅)和高纯Mo(钼)材料制作而成。处在背热面、驱动区域的部件采用水冷结构。靶盘旋转电机在XY二维平面内旋转扫描保证批次内晶片的注入均匀性。靶盘在XY的平面作变速摆动，保证每个晶片片内的注入均匀性。其机构见图1所示。

图1 高温靶盘结构示意图

晶片爪由A、B、C三点以夹卡方式固定晶片，晶片取放采用三根晶片顶杆的上下移动进行装卸片操作(见图2)。A、B、C三点由高纯硅材料做成硅销，尽可能减少与晶片的接触面积，尽量降低因热传导导致晶片表面温度的不均匀。硅销再通过辅助结构固定在钼支架上。用铜作为安装底座固定晶片爪驱动电机，铜安装底座固定在钼支架背面，铜安装底座内部通水冷却。这样在晶片爪的正面形成高温区，背面形成水冷低温区，实现了高低温区分离。弹簧、电机等位于低温区，从而提高了电动部件的可靠性，降低了高温杂质元素的挥发污染。

图2 晶片爪结构示意图

晶片爪三点接触固定晶片的方式还有两个方面好处：(1)减少了晶片和晶片爪之间的摩擦，降低了摩擦产生颗粒的可能性。三点接触的接触面积已经最小，离子注入时使得晶片在垂直方向的运动有限，最大限度地降低了摩擦接触面积，从而限制了颗粒的产生。(2)晶片爪C点的硅销正安装在弹簧结构上，不仅可满足装卸片的需要，而且可以实时调整晶片的夹持力，缓减晶片在高温下热膨胀的影响。

2 加热装置设计

高温注入时，晶片的热量来源有二，其一是来自注入时离子束功率的自加热，其二是来自辅助加热装置的辐射加热。一般情况下，注入时离子束功率在6～10 kW，可使晶片表面温度自加热到150℃～350℃。要达到500℃以上高温，需辅助加热装置提供10～30 kW的功率。

图3 晶片加热装置结构

辅助加热装置包括加热灯、基座、电极、发射板、透射窗和冷却部分。红外加热灯管外购：灯管长300mm，功率6.8 kW，光加热效率可达90%，加热温度可达1000℃。基座由导热性能良好的铜合金整体加工，减少密封圈的使用。基座内部需通孔传输冷却液进行冷却。红外透射窗采用高纯石英加工，红外灯管通过透射窗将热量辐射到晶片表面实现晶片加热。灯管背面设计镀金红外反射板，提高红外热源热效率，减少反射板的寄生加热作用。红外加热装置单根灯管的功率6.8 kW，因此设计五根加热灯管可达到30 kW，满足500℃以上高温加热的需要。

3 热场均匀性分析

靶室内存在高温区和低温区。其中，高温区仅位于辅助加热装置和离子束注入靶盘位置。因此，在辅助加热装置和离子束流稳定可靠的条件下，保证运动均匀即可确保晶片表面受热均匀。见图4所示。

图4 晶片离子注入加热示意图

对片间而言，通过靶盘电机的匀速旋转实现晶片的全机械扫描。扫描图形得到的是一个环形区域。R1为加热装置下端的内圆半径，R2为加热装置上端的外圆半径。阴影部分的面积S=π()。这个面积比实际要求注入的面积要大一些。在1×10-4Pa真空环境下，靶室内分子浓度降低到2.41×1010分子/cm3，使得导热和对流失去了工作介质，辐射是主要加热方式。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律：

在注入能量、束流和加热功率一定的前提下，匀速旋转时晶片的旋转速度已由注入能量、辐射功率等因素决定。

对片内而言，晶片表面的温度均匀性与离子束内部均匀性、辅助加热装置辐射加热均匀性密切相关。一般而言，离子束聚焦后呈条形束，在纵向方向的均匀性分布较好，横向方向的均匀性分布较差。同时，辅助加热装置的五根红外灯管也是沿纵向布置。因此，晶片除了围绕靶盘圆心进行旋转外，还需要在XY平面内作变速摆动，确保晶片表面温度的均匀性。

4 结束语

总的说来，高温靶室的设计要掌握4个原则：(1)绝热设计是关键。绝热设计的关键是高低温分区，高温区的空间尽可能小，保持高的热效率。同时要避免局部过热。(2)材料选择有讲究。高温区采用高熔点、低真空率、低污染的高纯导体、半导体、绝缘体材料，特别要注意材料的高温稳定性。高温区与低温区的连接采用高温高强度材料，导热截面尽可能小。(3)加热装置需可靠。加热装置的可靠性设计主要从材料和结构上保证。在材料和部件方面，如采用钼、铜、99绝缘瓷、长寿命石英加热灯管等。在结构上，如透射窗、反射板和水冷结构设计等。(4)热场均匀要保障。热场均匀性通过两个方向的运动保证。围绕靶盘中心的旋转保证片与片之间的温度均匀性。靶盘在XY平面内作变速摆动，保证晶片片内的温度均匀性。

[1]唐景庭.适应现代集成电路制造的离子注入技术与装备[C].第13届全国三束学术年会.长沙,2005：1-8.

[2]Wang Shouguo,Zhang Yimen,Zhang Yuming.Fabrication of Ohmic Contacts to 4H-SiC Created by Ion-Implantation[J].Journal of UEST of China,23,2(2003),203-206.

[3]J.P.Colinge.Silicon-on-insulator technology:Materials to VLSI[M].Kluwer Academic Pub,1991.

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[5]C M Kenna,R Dolan,J Blake,et al.Enhancing the Ibis i2000TM SIMOX Oxygen Ion Implanter[C].Proceedins Proc.2006 Int.Conf.Ion Implant Tech.Marseilles,France,2006:221-227.

[6]K.Tokiguchi,et al.The Hitachi Advanced Implanter UI-6000 for SIMOX Wafer Production[C].Proc.of the 12th Int.Conf.on Ion Implantation Technology.Alpbach,2000:372-375.

[7]A Hallen,R Nipoti,S E Saddow,et al.Advances in Selective Doping of SiC Via Ion Implantation[M].Kluwer Academic Pub,2001.

[8]唐景庭,伍三忠,贾京英,等.一台专用强流氧离子注入机的研制[J].集成电路,2003(2):66-70.

[9]唐景庭,贾京英.用于SIMOX的LC14型强流氧离子注入机[C].第5届全国SOI技术研讨会,上海,2002.

[10]刘咸成,王慧勇,王学仕.浅谈氧离子注入机高温靶室的热设计[C].第13届全国三束学术年会.长沙,2005:254-256.